光的偏振与晶体光学器件

1、第4章 光的偏振与晶体光学器件偏振现象：证实了光的横波性振动方向和传播方向垂直的波叫横波横波播播传传方方向向振振动动面面面面向向播播动动振振方方传传研究光的振动方向的特性即光的偏振性研究光的振动方向的特性即光的偏振性4.1 4.1 从自然光获得线偏振光从自然光获得线偏振光4.24.2 晶体的双折射晶体的双折射4.3 4.3 晶体光学器件晶体光学器件4.4 4.4 椭圆偏振光和圆偏振椭圆偏振光和圆偏振4.5 4.5 偏振光和偏振器件的矩阵表偏振光和偏振器件的矩阵表示示4.64.6 偏振光的干涉及其应用偏振光的干涉及其应用4.7 4.7 旋光旋光 本章内容本章内容4.1 4.1 从自然光获得线偏振

2、从自然光获得线偏振光光一、一、自然光与线偏振光自然光与线偏振光1、自然光自然光（1 1）在垂直光线的平面内，光）在垂直光线的平面内，光矢量沿各方向振动的概率均等，矢量沿各方向振动的概率均等，振动方向无规则性振动方向无规则性 （2 2）可以看成由两个振动方）可以看成由两个振动方向相互垂直，振幅相等，互不向相互垂直，振幅相等，互不相干线偏振光的叠加。相干线偏振光的叠加。yxIII IIIyx21 XYZu没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解zy振动面振动面ZE 2 2、线偏振光、线偏振光X3 3、圆椭圆偏振光和椭圆偏振光、圆椭圆偏振光和椭圆偏振光光矢量方向不变，其大小随位相变化光矢量大

3、小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢量末端轨迹为椭圆4 4、椭圆偏振光椭圆偏振光右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光规定规定：迎着光线看（对着光的传播方向），：迎着光线看（对着光的传播方向）， 光矢量顺时针转的称光矢量顺时针转的称右旋右旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）；（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针转的称光矢量逆时针转的称左旋左旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）。（或椭圆偏振光）。圆（椭圆）偏振光的左旋或右旋圆（椭圆）偏振光的左旋或右旋5 5、部分偏振光、部分偏振光彼此无固定相位关系

4、、振动方向任意、不同方向上振幅彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的大量光振动的组合不同的大量光振动的组合, ,称部分偏振光，它介于自然光称部分偏振光，它介于自然光与线偏振光之间。与线偏振光之间。部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。部分偏振光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱。它垂直的方向上振动较弱。1.自然光自然光偏振光偏振光2 2、线偏振光、线

5、偏振光3 3、圆偏振光、圆偏振光4 4、椭圆偏振光、椭圆偏振光5.5.部分偏振光部分偏振光= = 自然光自然光+ +偏振光偏振光部分线偏振光部分线偏振光部分圆偏振光部分圆偏振光部分椭圆偏振光部分椭圆偏振光部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部分偏振光可分解为部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光不相干的线偏振光平行于纸面的光振动的平平行于纸面的光振动的平均值大于垂直于纸面的光均值大于垂直于纸面的光振动的平均值。振动的平均值。垂直于纸面的光振动的平垂直于纸面的光振动的平均值大于平行于纸面的光均值大于平行于纸面的光振动

6、的平均值。振动的平均值。右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光规定规定：迎着光线看（对着光的传播方向），：迎着光线看（对着光的传播方向）， 光矢量顺时针转的称光矢量顺时针转的称右旋右旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）；（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针转的称光矢量逆时针转的称左旋左旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）。（或椭圆偏振光）。 偏振度偏振度 I It t 总强度总强度I Il l 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度部分偏振光中包含的完全偏振光的强度完全偏振光完全偏振光 ( (线、圆、椭圆线、圆、椭圆 ) ) P P =1=1自然光自然光 P P = 0= 0部分偏振光部分

7、偏振光 0 0 P P 1 nn2 2或或n n1 1nnn2 2 ；且入射角在大于临界角的范围都会发生全反射且入射角在大于临界角的范围都会发生全反射2n1nB2B,全反射的临界角全反射的临界角布儒斯特角布儒斯特角激光器的布儒斯特窗激光器的布儒斯特窗为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的片堆，入为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的片堆，入射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。高的偏振度，光的强度也比较大。玻璃片堆玻璃片堆偏振分光镜偏振分光镜只用一片玻璃的缺点：只用一片玻璃的缺点：以布儒

8、斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小（7%7%）透射光的强度虽大，但偏振度太小透射光的强度虽大，但偏振度太小玻璃片堆玻璃片堆偏振分光镜偏振分光镜ZnS(n2)冰晶石 (n1)45。n32 2、利用二向色性利用二向色性产生偏振光产生偏振光自然光自然光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片某些物质能有选择的某些物质能有选择的吸收某一个方向吸收某一个方向的光振动，而只的光振动，而只允许某个允许某个特定方向的光振动特定方向的光振动通过，物质的这种性质称通过，物质的这种性质称为二向色性。为二向色性。偏振片偏振片有一个特定的方向，只让平行与该

9、有一个特定的方向，只让平行与该方向的振动通过。我们把方向的振动通过。我们把允许特定光振动允许特定光振动通过的方向称为通过的方向称为偏振化方向偏振化方向1P1P2P0I1I2I当当 P1 / P2 时，时，0透射光最强透射光最强当当 P1 P2 时时2透射光为零透射光为零0121II实验发现：实验发现：偏振光：偏振片偏振光：偏振片P P2 2旋转一周时，光强度经历两次最明、两次最旋转一周时，光强度经历两次最明、两次最暗的变化。暗的变化。自然光：偏振片自然光：偏振片P P1 1旋转一周时，光强度并不发生变化。旋转一周时，光强度并不发生变化。3 3、马吕斯定律、马吕斯定律偏振光穿过偏振片后的光强？偏

10、振光穿过偏振片后的光强？2P1P0I1I2I将通过将通过 P1 的光矢量振幅的光矢量振幅 A1 ，分解为平分解为平行于行于P2 的分量的分量 A2 和垂直于和垂直于P2的分量的分量 A 2P1P2AA1A垂直分量垂直分量 A 不能通过不能通过P2 ，平行分量平行分量 A2 可可通过通过 P2 。cos12AA由于光强与光振幅平方成正比由于光强与光振幅平方成正比，2AI，211AI222AI212212AAII21221cosAA2cos212cosII ：入射的偏振光的强度；：入射的偏振光的强度； ：透射的偏振光的强度。：透射的偏振光的强度。2I1I1. .当当 或012II光强最强光强最强2

11、. .当当232或时时，02I光强最小光强最小时，时，1P2P0I1I2I0121II221cosII起偏器检偏器 4.2 4.2晶体的双折射晶体的双折射一一. .双折射现象的规律双折射现象的规律动动 光光 学学波波 动动 光光 学学 寻常光线（寻常光线（o o光）光）服从折射定律的光线服从折射定律的光线 非常光线（非常光线（e e光）光）不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线（一般情况，非常光线不在入射面内）（一般情况，非常光线不在入射面内）实验证明：实验证明： O O 光和光和 光均为偏振光光均为偏振光. .eACBo oe eDeo1.1.O O光与光与e e光光只有在晶体内部光线才有

12、必要分为只有在晶体内部光线才有必要分为o o光和光和e e光，它们具有不同光，它们具有不同的传播特性，一旦从晶体透出进入各向同性介质后就成为普的传播特性，一旦从晶体透出进入各向同性介质后就成为普通的线偏振，无所谓通的线偏振，无所谓o o光和光和e e光了光了光轴光轴102AB光轴光轴7878781021022.2.光轴光轴在方解石这类晶体中存在方解石这类晶体中存在一个在一个特殊的方向特殊的方向，当，当光线沿这一方向传播时光线沿这一方向传播时不发生双折射现象不发生双折射现象 . . 称这一方向为晶体的称这一方向为晶体的 光轴光轴单轴晶体：方解石、石英、KDP.双轴晶体：云母、蓝宝石、石膏.光轴是

13、一个方向任意方向入射 一般情况下O、e主平面不重合主平面主平面3.3.主平面与主截面主平面与主截面主平面：主平面：光的传播方向与晶光的传播方向与晶体光轴构成的平面。体光轴构成的平面。O O光振动光振动 垂直于垂直于（o主平面）主平面）e e光振动光振动 平行于平行于（e e主平面）主平面）e光光e光的光的主平面主平面o光光o光的光的主平面主平面光轴光轴光轴光轴方 解 石主截面：主截面：光轴光轴+ +与某晶面正交的平面与某晶面正交的平面109oo71某晶面法线方向对于某一晶面，主截面是一系列互相平行的平面，它们既包含光轴方向，又与该晶面正交（含晶面的法线方向） 一般情形下，o主平面和e主平面是不

14、重合的但若入射面与晶体的主截面重合时，则o光和e光都在这个平面内，即o主平面、e主平面与晶体主截面三者重合为一o光和e光的电矢量方向互相垂直。在实际上，都有意选择入射面与晶体主截面重合，以便所研究的双折射现象大为简化在晶体主截面内入射iCC方解石晶体主截面O光光e光光二、二、单轴晶体中波的传播单轴晶体中波的传播正晶体与负晶体正晶体与负晶体晶体中的波面e光波面：椭球面o光波面：球面正负晶体正负晶体vovevove（如如方解石方解石）负晶体负晶体oenn oe正晶体正晶体oenn （如如石英石英）oe主折射率主折射率oocneecn 、 主速度eeeoyzxytvotvetvetvoyzxytve

15、tvotvetvo54. 1on55. 1en几种单轴晶体的主折射率几种单轴晶体的主折射率晶 体方 解 石白 云 石石 英 冰1.6584 1.4864 0.17201.681 1.500 0.1811.5443 1.5534 0.00891.309 1.313 0.004 为负晶体负晶体为正晶体正晶体对钠黄光(l=589.3nm)三、三、用惠更斯原理说明双折射现象用惠更斯原理说明双折射现象光线透过该厚度为光线透过该厚度为d d的的晶体后，晶体后， O O光、光、e e光的光的光程差为：光程差为：0()enn dD 出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们认为产生了折射现象。传播速度不相同，我们认为产生了折射现象。2.2.平行光垂直入射，光轴在入射面内